Batteriløs mikrokontroller

Dette er såvidt vi kan bedømme, den første innvevde (embedded) mikrontrolleren som kan gjøre dette. Hvordan de har klart det, er gjennom en egen prosess som de har kalt SOTB (silicon-on-thin-buried-oxide). Prosessen tar utgangspunkt i en standard SOI (silicon-on-insulator)-skive, og geometrien i denne første generasjonen er 65 nm.

Renesas første kommersielle produkt ved hjelp av SOTB-teknologi, den innvevde R7F0E-kontrolleren, er en 32-bits Arm Cortex-basert kontroller som kan operere opptil 64 MHz for rask lokal behandling av sensordata og utførelse av komplekse analyse- og kontrollfunksjoner. Forbruket er 20 μA/MHz i aktiv modus, og 150 nA hvile- eller standbymodus. Dette skal være omtrent en tiendedel av konvensjonelle lavenergi mikrokontrollere.

Den har også en unik og konfigurerbar EHC-funksjon (Energy Harvest Controller) som muliggjør direkte tilkobling til mange forskjellige typer omgivende energikilder, for eksempel sol, vibrasjon eller piezoelektrisk, samtidig som det beskyttes mot skadelig «innrush»-strøm ved oppstart. EHC styrer også lading av eksterne strømlagringsenheter som superkondensatorer eller oppladbare batterier. Flere andre systemhensyn for ekstremt lav strøm er adressert av R7F0E. Tre slike eksempler inkluderer å registrere og fange eksterne analoge signaler til enhver tid fordi en 14-bit analog-til-digital-konverter (ADC) bruker bare 3 µA; den holder opptil 256 kB SRAM data med et forbruk på ett nA per hver KB av SRAM, og for å gi grafisk datakonvertering, inkludert rotasjon, rulle og fargelegging, er det inkorporert lavenergi maskinvareteknikker for å kjøre en ekstern skjerm ved hjelp av Memory-In-Pixel LCD teknologi som forbruker nesten ingen energi for å beholde et bilde.

Den unike SOTB-prosessteknologien har altså klart å få til en ekstrem reduksjon av både aktiv og standby-strøm, som typisk ikke har vært mulig å oppnå i konvensjonelle MCU-prosessteknologier. På silisiumsubstratet blir en oksydfilm (BOX: buried oxide) begravet under et tynt silisiumlag på skivesubstratet. Ingen urenheter er dopet til det tynne silisiumlaget. Dette gjør det mulig å opprettholde stabil drift ved lave spenninger. Samtidig styres potensialet av silisiumsubstratet under BOX-laget med en tilbakekoblingskrets for å redusere lekkasjestrømmer for ytterligere å holde standbyforbruket nede.

– Det har tatt oss i hvertfall 20 år å komme fram til denne prosessen, sier Toru Moriya, Renesas, som betegnes som far til SOTB.